表面等离子体共振光谱(SPR)的应用

表面等离子体共振(SPR)光谱及其对应的局部表面等离子体共振(LSPR)光谱已被公认为不仅进行纳米结构表征，而且无标记的化学和生物传感的重要手段。

SPR光谱学大多用于生物传感，特别是在研究结合亲和力，例如抗体 - 抗原相互作用。相反，LSPR光谱通常被用作痕量分子检测中的信号增强手段。

LSPR已被确定为方法背后的物理现象，包括:

• 表面增强拉曼光谱
• 红外光谱法
• 吸收光谱
• 荧光光谱

首先，本文将研究表面等离子体的底层物理，包括它们的波长依赖性相互作用。

其次，它将对比SPR和LSPR之间的差异，继续仔细研究涉及信号增强的过程。

第三，为了探讨SPR和LSPR光谱学的应用，将回顾两个简短的案例研究。

表面等离子体物理学

从传导带电子的相干振荡产生的表面波以及电介质和金属之间的界面，将导致已知的表面等离子体。

表面等离子体像其他电磁波一样，有一个相关的波矢，其大小由传播介质的相对介电常数(也称为介电常数)决定。

相对介电常数等于折射率的平方根，这是非磁性材料的情况。亚博网站下载因此，可以说相对介电常数与折射率有相似的波长依赖性。

这种相关性的结果是，当入射光的平行分量的波矢与表面等离子体的波矢共振时，它将诱导两种波的波长相关的构造或消去干涉。

根据条件，LSPR和SPR都可以在反射或传输的频谱中导致波长增加或减少。

SPR传感器通常由薄金属膜构成 - 通常是银或金 - 施加到诸如玻璃的介电材料上。宽带光通过全内反射（TIR）指向界面。以这种方式生产的SPR传感器依赖于棱镜以确保TIR，类似于FT-IR中的ATR（减振的全反射）尖端。

其他方法可以利用涂层光纤内部的红外光谱来诱导SPR。在SPR光谱学中，传感器暴露在被分析物中，与传感器形成键。这可以导致相对介电常数的轻微变化，随后改变表面等离子体的电阻频率。

在SPR中，当入射光与表面等离子体居住时，重新测定光谱将在频谱中表现出对应于破坏性干扰的频谱。

因此，当传感器收集越来越多的分析物时，透射谱的局部最小值将会偏移。这可以促进非常灵敏的定量。

高斯定律指出导体的表面电荷密度与其半径成反比。在LSPR的情况下，利用纳米制造技术来利用这种定位效应。

对基础物理的描述超出了本文的范围，但重要的是要理解，这一结果极高的表面电荷密度可能导致实质性的信号增强。

只有当衬底相对介电常数的实部是环境相对介电常数的负倍时，才会发生这种增强。这样可以增加信号的强度。

金在785 nm处的相对介电常数为-22.855 + 1.4245 i，银的相对介电常数为-11.755 + 0.37038 i，因此常用于SPR和LSPR。

在表面增强拉曼光谱(SERS)中，金通常用于785 nm的激发，而银通常用于532 nm的激发。

前面提到的比例因子的大小取决于衬底的几何形状，可以在2到20之间。“增强”波长可以根据纳米结构的形状进行调整。这种几何依赖性在表征纳米材料时是有益的。亚博网站下载

光纤SPR探头

的公司SPR传感器光纤探头意味着目标传感器可以部署在危险环境中。

通常，通过首先从光纤电缆部分移除包层来制造探针。然后，将该部分涂覆有金属层，然后是辩证层。

印度理工学院德里遵循这个过程，在此处，纤维芯涂有一层银，然后是一层氧化锌，以检测氯气。¹

在这个例子中，使用Avantes AvaLight-HAL钨卤灯将宽带光集成到探针中。氯气分子与氧化锌相互作用，产生氯化锌。这引起了相对介电常数的变化，从而导致了表面等离子体激元的驻留波长。

少量的光在光纤的包层内传播。使用Avantes AvaSpec-ULS3648-USB2光纤耦合光谱仪测量了由此产生的透射光谱变化。

图1显示了测量的光谱作为氯浓度的函数，显示了检测范围从10ppm到100ppm。

图1所示。不同浓度氯气的透射光谱(左)和峰值波长位移作为浓度的函数(右)。¹

LSPR的纳米表征

LSPR光谱是一种强大的表征工具，因为它非常依赖于粒子或衬底的纳米结构。yabo214匈牙利的研究人员利用了LSPR吸收光谱的线宽依赖于纳米颗粒的均匀性这一事实。yabo214²

该实验涉及溅射四个不同厚度的金纳米颗粒，其估计层厚度为7.5nm，12.5nm，15nm和30nm。yabo214

利用Avantes Avaspec-ULS2048-4DT-USB2(四通道高分辨光谱仪)和Avantes Avalight DHS卤素光源，测量了空气(n=1)、水(n=1.33)和油(n=1.616)中的四个样品的吸收光谱。

获得的数据（如图2所示）证明了对层厚度与表面等离子体共振之间的关系之间的关系的强烈依赖。当层厚度增加时，这意味着纳米颗粒尺寸的更大程度的变化。

图2.全宽四种不同厚度的溅射金纳米粒子的半最大峰宽度和环境折射率的函数yabo214²．

最终的想法

SPR和LSPR光谱可用于一系列的应用，包括生物传感器，化学传感器，和材料表征。

此外，高分辨率、低噪声的模块化光纤耦合光谱仪是将新型SPR和LSPR传感器从实验室过渡到现场和其他环境的重要工具。

当OEM系统，特别是需要高速和连续测量的OEM系统时，Avantes的Avaspec仪器是一个理想的选择。

上述光谱仪也可作为OEM模块使用。这些设备可以并入交钥匙实验室传感设备，也可以作为现有实验室设备的补充。app亚博体育

这些单元有许多通信选项:以太网、USB和Avantes AS7010 EVO电子板的本地数字和模拟输入/输出能力。这有助于增强与其他设备的接口。

Avantes AvaSpec DLL软件开发包自带Delphi、c#、c++、Visual Basic、MatLab、LabView等编程环境下的示例程序。这允许用户为自己的应用程序开发定制的代码。

参考资料及进一步阅读

1. Usha，S.P.，Mishra，S.K.和Gupta，B.D.，2015年。基于SPR基光学传感器的制造与表征，用于使用银和氧化锌检测氯气的氯气。亚博网站下载材料，8（5），PP.2204-2216。
2. Bonyár, A.， Wimmer, B. and Csarnovics, I.， 2014年5月。基于金纳米粒子的局域表面等离子体共振传感器的研制。yabo214《2014年第37届国际电子技术春季研讨会论文集》(第369-374页)。IEEE。

该信息的来源、审查和改编来自Avantes BV提供的材料。亚博网站下载

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